既有跨航道桥梁防船撞设施设计及应用研究

李峰帜

(国能朔黄铁路发展有限公司 河北肃宁 062350)

1 既有桥梁防船撞设施设置现状

截至2020年底，中国现代桥梁总数已超过100万座，其建设规模之大、数量之多、速度之快举世瞩目。另外，我国通航河流货物运输量猛增，船舶数量越来越多，其吨位和尺寸越来越大，航速越来越快，船队加长已成为趋势；与此同时，不少航道等级在提升或规划提升中，随之而来船撞桥的几率也与日俱增。2020年12月16日，交通运输部办公厅、国家铁路局综合司、国铁集团办公厅三部门联合印发《船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动实施方案》的通知，要求对2019年12月31日前建成投入运行的跨越内河高等级航道的各类桥梁、跨越其他等级内河航道的桥梁由各省级交通运输主管部门参照本方案组织开展隐患治理。对抗撞性能不足的既有桥梁，采取设置防撞设施、加装主动预警装置等措施，以提升防撞能力[1-3，6]。

2 既有铁路通航桥梁防船撞设施设计原则和流程

2.1 设计原则

桥梁防船撞设施的设计原则应根据桥梁的自身抗撞能力、桥墩水中落墩位置、桥墩承台结构构造、桥区通航船舶、桥区船舶过桥安全航速、桥区水流速度等因素确定。

(1)桥梁防撞设施对船舶的碰撞能量进行阻尼消能缓冲，其设计要保证在最高和最低通航水位情况下均具有防止船舶直接碰撞桥墩的功能，并能将船舶碰撞力控制在桥墩安全范围内。

(2)桥梁防撞设施的外部构造形式应为流线型，尽量减少对水流的阻挡面积。船舶与防撞设施发生碰撞时，其外形容易与船舶发生滑动，拨转船头，卸载大部分船舶撞力，最大程度减小防撞设施与船舶损伤。

(3)桥梁防撞设施材料要选用强度高、耐腐蚀、环境友好、不污染水体和周围环境的环保材料。

(4)桥梁防撞设施安装后，不侵入航道限界，不影响航道正常通航。

(5)桥梁防撞设施在水流及波浪影响下，应保持浮态稳定，对桥墩外表面无损伤。

(6)桥梁防船撞设施结构设计应考虑安装及后期拆卸维护保养方便，尽量采用模块化，方便撞损部分单独拆除更换，其他未被撞击部分可继续使用。

(7)桥梁防船撞设施外形、涂装颜色要与周围景观相协调，并应尽量不影响当地原有风貌[4-5]。

2.2 设计流程

跨航道既有桥梁防船撞设施的设计，应遵循一定的设计流程，跨越或遗漏流程中的某一环节，将会影响防船撞设施设计的工作正常开展及反复，严重的会造成设计方案推倒重来，设计周期延长，从而导致延误加工制造工期、安装工期、增加投资、影响通航、社会经济损失等后果。以既有跨通航河流大桥浮围式阻尼消能防船撞设施设计为例，其设计流程如图1所示。

2.3 桥梁防撞设施特点

以浮围式阻尼消能防撞设施设计为例，其特点如下:

(1)浮围式阻尼消能防撞设施以钢覆复合材料为框架，设计成具有一定高度、宽度、包围在桥墩周围的防护结构。浮围式阻尼消能防撞设施内部设置若干水面舱室，能自浮于水面上，整个防撞设施可随水位变化而上下浮动。

(2)浮围式阻尼消能防撞设施除主体框架外，还安装有高分子阻尼吸能元件、维护检查设备、警示靠泊设备、专用通道封盖设备，部分舱室填充高分子闭孔吸能芯材，内外表面进行高分子防腐涂装等。

(3)浮围式阻尼消能防撞设施可对桥墩形成全方位防护，保证在任何通航水位下、任何装载状态下的通航船舶均不能直接触及墩壁，从而起到对桥墩和船舶双向保护功能[6]。

(4)占用航道空间少，拆除后不遗留任何残积物，环保；撞损件可回收利用，造价较低，模块化设计，易于制造和维护。

(5)浮围式阻尼消能防撞设施主要应用在Ⅰ～Ⅴ级通航等级较高的、最高通航水位及最低通航水位落差较大的航道桥墩的防护[7]。

浮围式阻尼消能防撞设施如图2、图3所示。

2.4 设计团队专业配置

因桥梁防撞设施结构设计复杂，涉及到材料、结构、机械、焊接、船舶、水工、力学、桥梁、航道、海事、水利、渔政等专业和部门，开展桥梁防船撞设施的设计需要组织一个专业的设计团队，团队中专业人员配备如表1所示。

表1 设计人员专业配备

3 浮围式阻尼消能防船撞设施加工制造

浮围式阻尼消能防船撞系统结构尺寸大，加工精度及质量要求高，为后期部分撞损维护更换方便，浮围式阻尼消能防船撞设施为模块化设计，分块制造，模块之间采用法兰螺栓连接的方式组装[8-9]。

3.1 结构分块

根据加工制造车间场地大小、起重能力、运输组装方案、后期维护更换方便等因素，浮围式阻尼消能防撞设施可采用多种分块方案加工制造。浮动式阻尼消能防撞设施分块方案如图4所示。

3.2 制造工艺

浮围式阻尼消能防船撞设施的加工制造，要严格遵循加工制造工艺流程，上道工序没有完成或不合格，在没有经过质检认定合格前，严禁开始下道工序。浮围式阻尼消能防船撞设施加工制造工艺流程如图5所示。

3.3 质量控制

浮围式阻尼消能防船撞设施制造质量控制关系到防船撞设施使用过程能否安全运行、更好发挥阻尼消能功效，关系到其使用寿命长短、维护保养费用的多寡。

(1)原材料采购及验收质量控制

钢材、高分子材料等原材料采购严格按照设计图纸要求及国家相关通用技术规范进行采购和验收。所有材料须有生产厂家的出厂质量证明书，未经设计批准，不得改变其材质或规格；焊接材料焊条型号、焊丝代号及焊剂必须符合施工图纸规定，当图纸没有规定时，应选用与母材强度和焊接工艺相适应的焊接材料；防腐涂装、耗能芯材等材料应符合图纸设计文件规定，其性能应符合设计文件中相关要求。

(2)焊接质量控制

根据接头型式，合理选用高效焊接方法。焊缝在力学性能等方面和母材需相匹配。焊缝的冲击韧性指标原则上与母材标准值相等，焊接工艺评定经监理工程师认可后，根据评定报告编写焊接工艺。在保证焊缝质量的前提下，采用焊接收缩变形小的焊接方法。

(3)精度质量控制

浮围式阻尼消能防船撞设施制造精度允许偏差见表2。

表2 制造精度允许偏差控制

4 浮围式阻尼消能防船撞设施运输及安装

4.1 运输方案

浮围式阻尼消能防船撞设施的运输根据生产地点与施工现场位置关系及运输路线中的相关限界要求，可选择陆路运输和水路两种运输方案[10-11]。

4.1.1 陆路运输方案

浮围式阻尼消能防船撞设施生产场地与施工现场没有码头和航道过渡连接，只能分块陆路运输到施工现场，此运输方案要求防船撞设施分块小而多。采用陆路运输方案，要提前规划运输路线，考察运输路线沿途的道路及桥梁限高、限宽、限重等限界情况，选择合适的运输车辆开展防船撞设施模块的运输工作。陆路运输防船撞设施如图6所示。

4.1.2 水路运输方案

如果浮围式阻尼消能防撞设施生产场地与施工现场有航道相连，且靠近装卸码头，便于装船或下水，此运输方案可大件运输，防船撞设施分块可大而少。

(1)船舶水中拖带

此方案要求加工制造场地靠近航道，且配有船坞，便于防船撞设施整体组装后下水，整体水中拖带。防船撞设施水中拖带如图7所示。

(2)船舶水上运输

此方案要求加工制造场地靠近航道码头，便于防船撞设施整体转场装船运输。此方案需要大吨位自带动力的甲板驳，作为防船撞设施水上运输的载体。防船撞设施船舶水上运输如图8所示。

4.2 安装方案

(1)模块桥位拼组安装方案

浮围式阻尼消能防撞设施模块通过陆路运输到现场后，采用汽车吊等辅助工具吊运至水中拼组成更大组件，利用人工牵拉或其它水上动力牵引装备把大组件移动到桥墩周围进行安装。防撞设施桥位拼组安装见图9、图10所示。

(2)船舶拖带安装方案

防船撞设施被整体拖带到施工现场后，在桥位分拆成两部分，分别通过船舶拖拽和顶靠，从桥墩的两侧安装合拢。防船撞设施船舶拖带桥位安装如图11所示。

5 浮围式阻尼消能防船撞设施维护保养

浮围式阻尼消能防船撞设施在使用过程中需进行定期维护保养，若有损坏，应进行修复。

(1)定期检查阻尼消能防撞船设施结构是否出现损坏，若发生损坏，应及时修复。

(2)观察阻尼消能防船撞设施浮态，检查是否存在整体吃水不平衡及各水密舱是否密闭(每年两次)，调整补充压载水。

(3)检查阻尼消能防船撞设施的腐蚀及磨损情况，若出现防腐涂层损伤及脱落，应及时进行表面修补。

(4)定期检查防船撞设施是否存在零件遗失，如护舷、甲板上舾装件等，缺失后，应补齐。

(5)在承受大型船舶撞击后，应立即检查防船撞设施的受损进水情况，采取措施调整浮态，并进行修复。上下结构大范围破损时，需要将防船撞设施拆卸拖离现场，进厂维修。在遭受小型船舶撞击后，系统附属结构变形、局部破损消能，可现场维修。

(6)进行5年一次的中等维护，对整个阻尼消能防船撞设施的油漆、FRP防腐涂装等进行补涂和修补。

6 结束语

本文通过对既有跨航道桥梁的防船撞设施的设计流程总结及对防船撞设施的加工制造、运输安装、维护保养的介绍，全面展示了既有跨航道桥梁加装防船撞设施的全流程各环节实施过程及方案，以期为后续类似项目的设计、加工制造、运输安装、维护保养工作提供参考和借鉴。